CN1983750A - 单模量子级联激光器的器件结构及制作方法 - Google Patents

Abstract

一种单模量子级联激光器的器件结构，包括：一n型磷化铟衬底；一n型铟镓砷下波导层制作在n型磷化铟衬底上；35个周期铟镓砷/铟铝砷交替的有源层制作在下波导层上；一n型铟镓砷上波导层制作在有源层上；一n型铟铝砷上包层制作在n型铟镓砷上波导层上；一n型铟镓砷高掺杂接触层制作在n型铟铝砷上包层上；一n型铟镓砷欧姆接触层制作在n型铟镓砷高掺杂接触层上；一SiO₂电绝缘层制作在整个材料的上表面及双沟脊形结构的侧壁，该SiO₂电绝缘层的之间为断开，形成电流注入窗口；一正面n型电极制作在SiO₂电绝缘层上；一背面n型电极制作在n型磷化铟衬底的背面。

Description

单模量子级联激光器的器件结构及制作方法

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，特别是指一种单模量子级联激光器的器件结构及制作方法。

背景技术

因为3-14μm中远红外波段是非常重要的大气窗口，在国防、医学、环保、气体探测、化学光谱学、自由空间通信等方面都具有极其重要的应用前景，并且常规半导体激光器的激射波长受限于半导体材料的禁带宽度，在自然界中窄带隙材料较少，要得到中远红外波长的半导体激光器是很困难的。为了满足对中远红外波段固体光源的应用需要，科学家们跳出传统p-n结半导体激光器激射机制的经典理论，提出了基于同一导带或价带内的子带间跃迁的量子级联激光器的研究。

1994年量子级联激光器的发明在全世界引起轰动，此后，世界各国都纷纷因为3-14μm中远红外波段大气窗口的绝对重要性而相继开展了量子级联激光器的研究，但是常规的FP腔量子级联(QC)激光器其线宽较宽，并表现为多纵模工作。而对于气体探测、污染监控和光谱学应用，要求激光器的线宽低于室温下气体的压制展宽(大约1cm^-1)，并且在几个cm^-1的范围内可以调谐，即量子级联激光器必须能够稳定单模发射，并具有可控的调谐范围。

当前实现动态单模工作的量子级联激光器主要是分布反馈量子级联激光器，它采用全息曝光方法制作光栅，并需要二次外延生长，这使得制作工艺非常复杂。

本发明提出的单模量子级联激光器无需制作光栅，工艺简单，技术可靠，可以实现单模稳定激射。

发明内容

本发明的目的在于提供一种简单的单模量子级联激光器的制作方法，从而避免了常规分布反馈量子级联激光器的复杂制作方法，简化工艺，可靠性好，可以实现单模稳定激射。

本发明一种单模量子级联激光器的器件结构，其特征在于，其中包括：

一n型磷化铟衬底，作为下包层；

一n型铟镓砷下波导层，该铟镓砷下波导层制作在n型磷化铟衬底上，用来提高波导芯层的折射率，增强光限制，该n型铟镓砷下波导层为三段结构，其之间形成双沟脊型结构；

35个周期铟镓砷/铟铝砷交替的有源层，该有源层制作在三段结构的下波导层上，作为发光区；

一n型铟镓砷上波导层，该铟镓砷上波导层制作在有源层上，用来提高波导芯层的折射率，增强光限制；

一n型铟铝砷上包层，该铟铝砷上包层制作在n型铟镓砷上波导层上；

一n型铟镓砷高掺杂接触层，该n型铟镓砷高掺杂接触层制作在n型铟铝砷上包层上；

一n型铟镓砷欧姆接触层，该n型铟镓砷欧姆接触层制作在n型铟镓砷高掺杂接触层上；

一SiO₂电绝缘层，该SiO₂电绝缘层制作在整个材料的上表面及双沟脊形结构的侧壁，该SiO₂电绝缘层的之间为断开，形成电流注入窗口；

一正面n型电极，该正面n型电极制作在SiO₂电绝缘层上，并覆盖电流注入窗口；

一背面n型电极，该背面n型电极制作在n型磷化铟衬底的背面。

其中双沟脊形结构的脊台面的宽度是8-25μm，每个沟的宽度是25-50μm。

其中电流注入窗口的尺寸是双沟脊形结构中脊台面顶端尺寸的1/3，能够保证光刻对准。

本发明一种单模量子级联激光器的制作方法，其特征在于，包括如下步骤，

步骤1：采用分子束外延生长技术，在n型磷化铟衬底上依次生长n型下波导层、35个周期的有源层、n型上波导层、n型上包层、n型接触层和n型高掺杂欧姆接触层；

步骤2：材料生长完后，通过光刻、腐蚀工艺在材料的表面刻蚀出双沟脊形结构；

步骤3：在双沟脊形结构的台面上淀积SiO₂电绝缘层；

步骤4：在双沟脊形结构脊上SiO₂电绝缘层的中间处开电流注入窗口；

步骤5：在双沟脊形结构的SiO₂电绝缘层上制作n型正电极；

步骤6：减薄n型磷化铟衬底，并在n型磷化铟衬底的背面制作n型背电极，解理、烧结、压焊，最终完成整个器件的制作。

其中步骤2中的腐蚀工艺是采用湿法腐蚀，腐蚀过n型下波导层直到n型衬底，从而得到深双沟脊形结构，这种深腐蚀办法能够有效降低注入电流的扩展，减轻器件发热。

其中步骤2中的双沟脊形结构，脊台面的宽度是8-25μm，每个沟的宽度是25-50μm。

其中步骤4中的电流注入窗口的尺寸是双沟脊形结构的脊台面顶端尺寸的1/3，这样能够保证光刻对准。

其中步骤6中的解理，是通过解理得到管芯腔长，该管芯腔长的长度应小于145μm。

本发明所涉及的器件工艺简单，可靠，避免了常规分布反馈激光器中的复杂工艺。

附图说明

为进一步说明本发明的结构、特点，以下结合附图及具体实施例对本发明进行详细描述如下，其中：

图1是本发明采用的单模量子级联激光器的器件结构截面示意图；

图2是腔长L＝1.5mm，波长λ＝5.4μm的FP腔量子级联激光器的激射光谱图，光谱表现为多模分布；

图3是腔长L＝0.29mm，波长λ＝5.4μm的短腔量子级联激光器的激射光谱图，器件仍表现为多模工作；

图4是腔长L＝0.145mm，波长λ＝5.4μm的短腔量子级联激光器的激射光谱图，器件表现为单模工作；

图5是腔长L＝0.145mm，波长λ＝5.4μm的短腔量子级联激光器的光电流特性曲线。

具体实施方式

请参阅图1所示，本发明一种单模量子级联激光器的器件结构，其特征在于，其中包括：

一n型磷化铟衬底1，作为下包层；

一n型铟镓砷下波导层2，该下波导层2制作在n型磷化铟衬底1上，用来提高波导芯层的折射率，增强光限制，该n型铟镓砷下波导层2为三段结构，其之间形成双沟脊型结构，该双沟脊形结构的脊台面的宽度是8-25μm，每个沟的宽度是25-50μm；

35个周期铟镓砷/铟铝砷交替的有源层3，该有源层3制作在三段结构的下波导层2上，作为发光区；

一n型铟镓砷上波导层4，该铟镓砷上波导层4制作在有源层3上，用来提高波导芯层的折射率，增强光限制；

一n型铟铝砷上包层5，该铟铝砷上包层5制作在n型铟镓砷上波导层4上；

一n型铟镓砷高掺杂接触层6，该n型铟镓砷高掺杂接触层6制作在n型铟铝砷上包层5上；

一n型铟镓砷欧姆接触层7，该n型铟镓砷欧姆接触层7制作在n型铟镓砷高掺杂接触层6上；

一SiO₂电绝缘层8，该SiO₂电绝缘层8制作在整个材料的上表面及双沟脊形结构的侧壁，该SiO₂电绝缘层8的之间为断开，形成电流注入窗口9，该电流注入窗口9的尺寸是双沟脊形结构的脊台面顶端尺寸的1/3，能够保证光刻对准；

一正面n型电极10，该正面n型电极10制作在SiO2电绝缘层8上，并覆盖电流注入窗口9；

一背面n型电极11，该背面n型电极11制作在n型磷化铟衬底1的背面。

请再参阅图1所示，本发明一种单模量子级联激光器的制作方法，其特征在于，包括如下步骤，

步骤1：采用分子束外延生长技术，在n型磷化铟衬底1上依次生长n型下波导层2、35个周期的有源层3、n型上波导层4、n型上包层5、n型接触层6和n型高掺杂欧姆接触层7；

步骤2：材料生长完后，通过光刻、腐蚀工艺在材料的表面刻蚀出双沟脊形结构，所述的腐蚀工艺是采用湿法腐蚀，一直腐蚀过n型下波导层2，得到深双沟脊形结构，这种深腐蚀办法能够有效降低注入电流的扩展，减轻器件发热，该双沟脊形结构的脊台面的宽度是8-25μm，每个沟的宽度是25-50μm；

步骤3：在双沟脊形结构的台面上淀积SiO₂电绝缘层8；

步骤4：在双沟脊形结构的脊上的SiO₂电绝缘层8的中间处开电流注入窗口9，该电流注入窗口9的尺寸是双沟脊形结构的脊台面顶端尺寸的1/3，能够保证光刻对准；

步骤5：在双沟脊形结构的台面上淀积的SiO₂电绝缘层8上制作n型正电极10；

步骤6：减薄n型磷化铟衬底1，并在n型磷化铟衬底1的背面制作n型背电极11，解理、烧结、压焊，最终完成整个器件的制作，所述的解理，是通过解理得到管芯腔长，该管芯腔长的长度小于145μm。

由图1知，该器件结构为深双沟脊形结构，这种深腐蚀办法能够有效降低注入电流的扩展，减轻器件发热。

由图2知，对于常规腔长(L＝1.5mm)的FP腔量子激光器激光器，器件激射谱出现多个峰值，表现为多模工作，波长λ＝5.4μm。

我们知道纵模间距 $\mathrm{\Δ\λ}=\frac{{\mathrm{\λ}}_0^2}{{2n}_{e}L}$ (其中λ₀是激射波长，n_e是有效折射率，L是器件腔长)，因为激光器的纵模间距会由于腔长的减小而加宽，这样我们就可以利用缩短腔长的办法来增大纵模间距，大幅度地提高主模和边模的阈值差，并借助增益谱曲线的钟形特征有效地提高主模与边模的强度比，最终使得器件以一个主模式(单模)工作。

由图3知，该量子级联激光器器件腔长L＝290μm，Δλ＝14.5nm，器件仍表现为多个纵模工作，但是与图2比较我们可以看出当腔长开始减小时，光谱中模数开始减少，该图中仅有3个明显的模式。

由图4知，该量子级联激光器器件腔长L＝145μm，Δλ＝29nm，该短腔长器件已表现为单模工作，边模抑制比大于20dB，从而证明采用短腔结构实现单模工作是一个可行方法。

由图5知，L＝145μm的短腔量子级联激光器的阈值电流仅为80mA，斜率效率为0.056W/A，这也再次证明短腔激光器可以使阈值电流显著降低。

实例

请再参阅图1，本发明涉及一种单模量子级联激光器的器件结构，其中包括：

n型磷化铟衬底1，作为下包层；

n型铟镓砷下波导层2，下波导层2制作在n型衬底1上，用来提高波导芯层的折射率，增强光限制；

35个周期铟镓砷/铟铝砷交替的有源层3，该有源层3制作在下波导层2上，作为发光区；

n型铟镓砷上波导层4，该上波导层4制作在有源层3上，用来提高波导芯层的折射率，增强光限制；

n型铟铝砷上包层5，该上包层5制作在上波导层4上；

n型铟镓砷高掺杂接触层6，该接触层6制作在上包层5上；

n型铟镓砷欧姆接触层7，该欧姆接触层7制作在N型高掺杂接触层6上；

经刻蚀在表面形成双沟脊形台面，其中双沟一直腐蚀到衬底1，穿透n型欧姆接触层7、n型高掺杂接触层6、n型上包层5、n型上波导层4、有源层3和n型下波导层2，在该双沟脊形台面上制作有SiO₂电绝缘层8，该电绝缘层8在脊上断开形成电流注入窗口9；

正面n型电极10，该正面n型电极10制作在电绝缘层8上；

背面n型电极11，该背面n型电极11制作在n型磷化铟衬底1的背面。

本发明一种新型单模量子级联激光器的制作方法，包括如下步骤：

a1：采用分子束外延生长技术，在n型磷化铟衬底1上生长n型下波导层2，接着生长35个周期的有源层3及n型上波导层4和n型上包层5，最后生长n型接触层6和n型高掺杂欧姆接触层7；

a2：材料生长完后，通过光刻、腐蚀工艺刻蚀出深双沟脊形台面，每个沟的宽度是25-50μm，脊台面的宽度是8-25μm，双沟腐蚀过n型下波导层2一直到n型衬底1，如图1所示，接着淀积SiO₂电绝缘层8；

a3：在脊上的SiO₂电绝缘层处开电流注入窗口9，窗口宽度是脊台面顶端尺寸的1/3，能够保证光刻对准，接着在电绝缘层8上制作n型正电极10，减薄外延片在背面制作n型背电极11，解理、烧结、压焊，最终完成整个器件工艺，其中解理得到的管芯腔长，其长度应小于145微米。

Claims (8)

1.一种单模量子级联激光器的器件结构，其特征在于，其中包括：

-n型磷化铟衬底，作为下包层；

-n型铟镓砷下波导层，该铟镓砷下波导层制作在n型磷化铟衬底上，用来提高波导芯层的折射率，增强光限制，该n型铟镓砷下波导层为三段结构，其之间形成双沟脊型结构；

35个周期铟镓砷/铟铝砷交替的有源层，该有源层制作在三段结构的下波导层上，作为发光区；

-n型铟镓砷上波导层，该铟镓砷上波导层制作在有源层上，用来提高波导芯层的折射率，增强光限制；

-n型铟铝砷上包层，该铟铝砷上包层制作在n型铟镓砷上波导层上；

-n型铟镓砷高掺杂接触层，该n型铟镓砷高掺杂接触层制作在n型铟铝砷上包层上；

-n型铟镓砷欧姆接触层，该n型铟镓砷欧姆接触层制作在n型铟镓砷高掺杂接触层上；

-SiO₂电绝缘层，该SiO₂电绝缘层制作在整个材料的上表面及双沟脊形结构的侧壁，该SiO₂电绝缘层的之间为断开，形成电流注入窗口；

-正面n型电极，该正面n型电极制作在SiO₂电绝缘层上，并覆盖电流注入窗口；

-背面n型电极，该背面n型电极制作在n型磷化铟衬底的背面。

2.根据权利要求1所述的单模量子级联激光器的器件结构，其特征在于，其中双沟脊形结构的脊台面的宽度是8-25μm，每个沟的宽度是25-50μm。

3.根据权利要求1所述的单模量子级联激光器的器件结构，其特征在于，其中电流注入窗口的尺寸是双沟脊形结构中脊台面顶端尺寸的1/3，能够保证光刻对准。

4.一种单模量子级联激光器的制作方法，其特征在于，包括如下步骤，

步骤1：采用分子束外延生长技术，在n型磷化铟衬底上依次生长n型下波导层、35个周期的有源层、n型上波导层、n型上包层、n型接触层和n型高掺杂欧姆接触层；

步骤2：材料生长完后，通过光刻、腐蚀工艺在材料的表面刻蚀出双沟脊形结构；

步骤3：在双沟脊形结构的台面上淀积SiO₂电绝缘层；

步骤4：在双沟脊形结构脊上SiO₂电绝缘层的中间处开电流注入窗口；

步骤5：在双沟脊形结构的SiO₂电绝缘层上制作n型正电极；

步骤6：减薄n型磷化铟衬底，并在n型磷化铟衬底的背面制作n型背电极，解理、烧结、压焊，最终完成整个器件的制作。

5.根据权利要求4所述的单模量子级联激光器的制作方法，其特征在于，其中步骤2中的腐蚀工艺是采用湿法腐蚀，腐蚀过n型下波导层直到n型衬底，从而得到深双沟脊形结构，这种深腐蚀办法能够有效降低注入电流的扩展，减轻器件发热。

6.根据权利要求4所述的单模量子级联激光器的制作方法，其特征在于，其中步骤2中的双沟脊形结构，脊台面的宽度是8-25μm，每个沟的宽度是25-50μm。

7.根据权利要求4所述的单模量子级联激光器的制作方法，其特征在于，其中步骤4中的电流注入窗口的尺寸是双沟脊形结构的脊台面顶端尺寸的1/3，这样能够保证光刻对准。

8.根据权利要求4所述的单模量子级联激光器的制作方法，其特征在于，其中步骤6中的解理，是通过解理得到管芯腔长，该管芯腔长的长度应小于145μm。

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